一种定时监测的超声波抑藻除藻系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水体藻类去除技术，特别涉及一种定时监测的超声波抑藻除藻系统和 方法。
【背景技术】
[0002] 水体富营养化引发的水华现象（蓝绿藻大量繁殖）在湖泊等水域日趋频繁和严 重，给环境和经济造成巨大的损失和灾难。世界上第一台超声波除藻器于1999年开始应用 于开放性水域中，到目前为止，已经发展成为一种具有极强杀灭水藻功能的成熟产品，世界 上已有十几个国家推广使用，已被证明是一种最简单、最有效的环保除藻技术，无论是发泡 式藻类、漂浮式藻类或有根的藻类都能有效消除。
[0003] 申请号为CN201410046048中国专利文献公开了一种太阳能水面除藻系统及水面 除藻方法，专利采用太阳能发电功能，利用超声波、紫外线、除藻剂和增氧曝气四种除藻方 式组合，通过水循环装置实现工作区域水体从下方中央向上方四周的循环，水质监测装置、 除藻装置24小时开机工作。这种方法可以有效的抑制工作区域内水藻的生长，但工作区域 范围小，难以对较大范围的水域进行除藻抑藻；无固定装置，易受水流影响漂移至非工作区 域甚至遗失，易受风浪影响发生侧翻；水藻受超声波辐照时间过长会产生过多的藻毒素，影 响水质。
[0004] 申请号为CN201410554121的中国专利文献公开了一种基于太阳能发电的超声除 藻方法及设备，专利采用太阳能船帆驱动设备前进并收集富藻水，用超声波对富藻水进行 处理，处理后的富藻水过滤得到藻渣并进行干化和收集。这种方法可以在小的工作范围内 实现有效的除藻效果，将理后的藻渣移出原生态系统，可以降低氮磷等元素在水体中的含 量，除藻彻底。但该设备没有舵和运动控制装置，在没有风的情况下无法移动，不能进行持 续作业；在水流风浪影响下工作路径难以控制，大范围区域的除藻效果不理想；在风浪较 大的情况下可能发生侧翻；没有监测装置，需要较多人工辅助，智能化程度低，难以在最佳 时间进行抑藻。
[0005] 可见现有技术中除藻技术存在工作区域小、较大范围除藻效果不理想、抗风浪差、 难以长期保持在工作区域工作、监测过程的耗能过高等不足。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种定时监测的超声波抑藻除藻系统，无需连续工作，根据水质的 情况选择不同的超声波进行除藻或抑藻，能耗低，抑藻除藻效果好，长期使用后使作业水体 的藻类保持在安全范围。
[0007] -种定时监测的超声波抑藻除藻系统，包括主体支架，以及安装在主体支架上的 超声波发射单元、用于监测水质并控制超声波发射单元工作的监测单元和供能单元，所述 抑藻除藻系统还包括定时单元，用于间断性启动监测单元；
[0008] 所述监测单元固定在主体支架的下方，所述监测单元包括传感器固定支架以及安 装在传感器固定支架上的叶绿素 a传感器、藻青蛋白传感器、pH值传感器、悬浮固体量传感 器、溶解氧传感器和温度传感器；
[0009] 所述超声波发射单元包括超声波换能器和控制单元，所述控制单元接收监测单元 的监测结果，并根据监测结果控制超声波换能器发出相应功率和频率的超声波进行抑藻或 除藻。
[0010] 本发明设有定时单元，控制监测单元间断性工作，间断性即间隔一定时间，避免了 系统连续工作能耗高的问题；监测单元设有多个监测不同水质指标的传感器，可以准确监 测水体的水质状况，控制所述超声波发射单元高效工作，避免无用功，节约能耗；还设有可 以根据水质分析结果发出不同功率和频率的超声波进行抑藻或除藻的超声波发射单元，针 对性强、抑藻除藻效果好，进一步降低能耗。
[0011] 相应功率和频率的超声波是指控制单元内预设有多种功率和频率的超声波，根据 监测结果，发出不同功率和频率的超声波分别进行抑藻或除藻。
[0012] 优选的，所述超声波换能器固定在主体支架的下方，设有至少三个、环绕布置使超 声波向四周发射。设置环绕布置的至少三个超声波换能器组合后的系统，无需旋转和其他 辅助方式，即可对工作半径内的圆形水域进行有效的除藻抑藻工作，工作效率高，设备结构 简单。
[0013] 为了便于系统在水体表面安装，优选的，还包括漂浮单元，该漂浮单元为一体式的 浮块，所述主体支架围绕浮块固定连接，所述浮块和主体支架为矩形，一体式结构有助于保 持系统整体的平稳。主体支架为铝合金外框架，内部填充泡沫塑料作为浮块。
[0014] 为了发射的超声波可以覆盖系统周围的水域，优选的，所述超声波换能器设有两 两对称布置的四个，分别固定在矩形的浮块的对称轴上。
[0015] 为了防止系统漂移工作水域，优选的，还包括定位单元，所述定位单元设有两组， 每组包括一端连接浮块底面的牵引绳以及固定在牵引绳另一端的定位块；两组的牵引绳分 别固定在矩形浮块的两对角上。
[0016] 上述结构使系统在受到风浪的影响后受牵引绳的拉力可以回复到原位置，同时发 生侧翻所需的风力也大大增加，提高了抗风浪能力。定位块即质量较大的立方体重物，用于 定位，主要材料可以采用混凝土，容易获取，成本较低。
[0017] 优选的，所述供能单元包括：固定在主体支架的上方、用于供电的蓄电池组，用于 向蓄电池组充电的太阳能电池板和充放电控制器，以及将蓄电池组的直流电转换成交流电 的逆变器。采用太阳能电池板提供能量和蓄电池储能，节能环保，工作状态受天气影响小。
[0018] 优选的，还包括安装在主体支架上的无线通讯模块，从而可根据需求实施抑藻除 藻系统的自动作业和远程人工操作，降低人力成本，将系统清除水华的效果最大化。
[0019] 本发明还公开了一种定时监测的超声波抑藻除藻方法，通过上述的定时监测的超 声波抑藻除藻系统，定时监测水质，无需24小时工作，根据水质的情况选择不同的超声波 进行除藻或抑藻，能耗低，抑藻除藻效果好。
[0020] -种定时监测的超声波抑藻除藻方法，使用上述的定时监测的超声波抑藻除藻系 统，包括以下步骤：
[0021] (1)将超声波抑藻除藻系统放入工作水体中，间断性监测水体，水体的监测指标为 叶绿素 a浓度、藻青蛋白浓度、pH值、悬浮固体量、溶解氧浓度和水温；
[0022] (2)根据步骤（1)的监测结果，控制超声波换能器向水体发出相应功率和频率的 超声波进行抑藻或除藻。
[0023] 相应功率和频率的超声波是指预设有多种功率和频率的超声波，根据监测结果， 发出不同功率和频率的超声波分别进行抑藻或除藻。
[0024] 本发明方法控制监测单元间断性工作，避免了系统连续工作能耗高的问题；监测 多种水质指标，可以准确监测水体的水质状况，控制所述超声波发射单元高效工作，避免无 用功，节约能耗；根据水质分析结果发出不同功率和频率的超声波进行抑藻或除藻，针对性 强、抑藻除藻效果好，进一步降低能耗。
[0025] 优选的，根据步骤（1)的监测结果，向水体发出相应功率和频率的超声波进行抑 藻、除藻或无动作的具体过程为：
[0026] 2-1当监测到在pH为7. 5~8. 5,水温不低于24摄氏度，悬浮固体量在22~50NTV 的条件下，以下三项指标有至少两项出现时：叶绿素 a浓度超过46mg/L，藻青蛋白浓度超过 143mg/L，溶解氧浓度低于3. 6mg/L，即判定满足水华爆发的先兆条件，向水体发出频率为 180~220kHz、功率为40~60W的超声波进行抑藻，辐照至少4min ;
[0027] 将上述水质情况判定满足水华爆发的先兆条件，使用频率为180~220kHz、功率 为40~60W的超声波对该种水质具有良好的抑制效果，辐射时间控制在4min以上，既可以 对藻类进行有效的抑制。高频率、高功率都会增加能耗，降低频率和功率又会影响效果，经 过实验进行优选，步骤2-1中，超声波频率为200~220kHz，功率为48~52W，进一步优选 的，超声波频率为200kHz，功率为50W。
[0028] 2-2当监测到在pH为7. 5~8. 5,水温超过24摄氏度，悬浮固体量在22~50NTV 的条件下，以下三项指标有至少两项出现：叶绿素 a浓度超过68mg/L，藻青蛋白浓度超过 171mg/L，溶解氧浓度低于2. 8mg/L，判定满足水华已经爆发条件，向水体发出频率为18~ 22kHz、功率为60~80W的超声波进行除藻，辐照至少7min。
[0029] 将上述水质情况判定满足水华已经爆发条件，使用频率为20~22kHz、功率为 60~80W的超声波对该种水质具有良好的除藻效果，辐射时间控制在7min以上，既可以对 藻类进行有效的去除；高频率、高功率都会增加能耗，降低频率和功率又会影响效果，经过 实验进行优选，超声波频率为19~21kHz，功率为68~72W ;进一步优选的，超声波频率为 20kHz，功率为 70W。
[0030] 优选的，间断性监测水体的间隔时间为3~5小时。上述间隔时间下，本发明可以 有效将作业水体的藻类保持在安全范围。
[0031] 监测结果不满足上述条件时，则系统不工作。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 本发明通过定时单元，控制监测单元间断性工作，同时监测单元设有多个监测不 同水质指标的传感器，可以准确监测水体的水质状况，控制所述超声波发射单元高效工作， 避免在非工作时间消耗能量，节约能耗；还设有可以根据水质分析结果发出不同功率和频 率的超声波进行抑藻或除藻的超声波发射单元，针对性强、抑藻除藻效果好，进一步降低能 耗，长期使用后作业区域的蓝绿藻密度保持在安全范围，避免水华的发生，在湖泊，缓流河 道，水库等水域内使用具有良好的抑藻除藻效果和经济效益。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明的主视图。
[0035] 图2是本发明的左视图。
[0036] 图3是本发明的仰视图。
[0037] 图4是本发明的俯视图。
[0038] 图中包括：浮体1、铝合金外框架2、吊环3、定位块4、牵引绳5、超声波换能器6、换 能器支架7、螺母8、螺杆9、多传感器支架10、螺钉11、垫片12、收发天线13、太阳能电池板 外框架14、太阳能电池板15、螺钉16、垫片17、太阳能电池板底座18、铆钉19、太阳能电池 板支架20、防护箱21、螺钉22、螺钉23、蓄电池组24、总控制模块25、控制模块26、收发电路 模块27、充放电控制器28、逆变器29、接线盒30、pH传感器31、溶解氧传感器32、温度传感 器33、悬浮固体量传感器34、叶绿素 a传感器35、藻青蛋白传感器36。
【具体实施方式】
[0039] 如图1~4所示，本实施例的太阳能超声波抑藻除藻系统包括：浮体1 (浮块），围 绕固定在浮体1上的铝合金外框架2 (主体支架），太阳能电池板15通过